成都地铁3号线富水砂卵石地层盾构机选型探讨与建议(全文)

地铁3号线富水砂卵石地层盾构机选型探讨与
建议
XX：
前言
地铁3号线由ZG股份有限公司采取BT模式组织实施，其中一期工程线路全长20.359km，全为地下线，设17座车站和17.5个区间，平均站间距1.227km，车站全为地下车站。

区间隧道线路环境及设计条件复杂，特别地段主要有2次下穿既有铁路、7次下穿市政河流、10次下穿市政立交、2次下穿市政隧道工程及多次穿越市政房屋建筑等复杂环境。

区间隧道主要穿越（2-6）卵石土层，线路南段及中段部分地段穿越（4-3）含卵石粘土层，北段部分地段穿越（5-1）全风化泥岩、不良地质弱膨胀性泥岩，裂隙发育。

地下孔隙水主要附存与砂卵石土层中，属强透水层，富水性好。

盾构区间根据工筹，共计安排14台盾构机组织施工。

鉴于地铁3号线盾构穿越富水砂卵石、泥岩、泥岩与砂卵石混合地层等特别而复杂的工程水文地质，针对性地分析了施工现场存在的主要风险因素，在借鉴地铁1、2号线和类似地层盾构施工经验和教训的基础上，对地铁3号线BT项目的盾构选型配置提出探讨意见和建议，供盾构选型参考。

富水砂卵石地质主要特点
（1）盾构区间隧道穿越地层地质情况复杂，主要为砂卵石、泥岩以及砂卵石和泥岩的混合地层；
（2）砂卵石地层卵石含量高达50~85%，卵石成分主要为中等风化的岩浆岩与变质岩，卵石和漂石单轴抗压强度高，部分达55～165MP，卵石粒径以20~80mm为主，局部80~120mm，区域内发现含有粒径超过500mm的高强度漂石。

卵石级配差，细颗粒含量少；
（3）全风化、强风化、中风化泥岩等属于膨胀（土）岩，具有遇水软化、崩解；
（4）地下水基本赋存于砂卵石层中，含水层总厚度19.2~23.8m，渗透系数12.53~27.4 m/d，枯水期地下水位埋深3~5 m，丰水期2~4 m。

水位均位于隧道顶板以上，属强透水层，富水性好。

地铁盾构施工的主要重难点
复杂地层盾构施工主要重难点有：（1）砂卵石地层掘进土仓建压掘进对主驱动扭矩要求高；（2）砂卵石地层掘进刀盘、刀具和螺旋机磨损快；（3）砂卵石地层施工中换刀困难；（4）渣良要求高，地表沉降操纵难；（5）强透水地层可能会发生喷涌；（6）在复合地层易结泥饼；（7）砂卵石地层小曲线施工盾构转向困难等。

盾构选型配置总体原则
4.1 适应性原则
盾构配置以地铁3号线BT项目现有地质资料为依据，同时满足地区普遍的地质条件，进行针对性设计。

针对不同区间、不
同地质条件，盾构配置进行具体相应调整。

4.2 可靠性原则
盾构整机须具有良好的性能和可靠性，主驱动系统需有足够功率和扭矩，整机系统能力设计须有足够的富余量。

4.3 先进性和经济性相结合原则
盾构各系统设计技术具有国内外行业先进水平，关键部件全球采购，采纳国际知名厂商产品。

在充分满足BT项目施工要求的前提下，考虑盾构配置的经济性。

对于改造设备首先考虑满足BT项目施工要求，改造成本须做好与新制设备的经济性对比。

盾构机选型参数配置及建议
根据地铁3号线设计文件及施工技术要求，结合投资进展有限公司对BT项目盾构机的总体要求，本人对适应于地铁3号线盾构机配置提出如下技术参数及建议，以供探讨。

5.1整机要求
（1）采纳液压驱动或变频电机驱动。

（2）适应管片规格：外径Φ6000mm，内径Φ5400mm，宽度B1500mm，纵向螺栓分度36°。

（3）刀盘开挖直径比前盾外径至少加大30mm。

（4）最大推进速度≥80mm/min，最小转弯半径≥250m，适应纵向坡度应≤±35‰。

5.2主驱动
（1）主驱动功率≥750kW；
（2）主轴承直径≥Φ3000mm；
（3）新主轴承使用寿命≥10000h，旧轴承剩余使用寿命≥3000h，至少满足可掘进3km的要求；
（4）新主减速器使用寿命≥10000h，旧减速器剩余使用寿命≥3000h；或新主电机使用寿命≥10000h，旧主电机剩余使用寿命≥3000h；
（5）额定驱动扭矩≥5500kNm；
（6）最高转速≥3r/min；
（7）主驱动密封压力≥3br,如采纳旧设备，须做密封检测，检测压力≥3br；
（8）润滑油系统应具备循环冷却、过滤功能。

5.3刀盘
（1）刀盘结构
盘体结构：建议为面板式或准面板式，开口率28%～40%之间，开口尺寸不大于螺机通过卵石的最大粒径。

刀盘配置：设置滚刀刀孔，刀孔数量不少于36个，滚刀刀箱须满足滚刀与撕裂刀互换的要求；刀盘扭腿的数量≥6个；刀盘主动搅拌棒数量≥4个。

耐磨设计：面板敷焊复合耐磨钢板，外圈梁配置周边保护刀(镶焊高强度耐磨合金)，接近切口位置应整圈或接近整圈布置，刀盘背部敷焊耐磨XX格。

刀盘喷口：数量不少于5个，且分布合理，中心2个，外
围3个；其中独立的泡沫喷口3个，独立的膨润土喷口2个。

建议喷口装置总成可以从刀盘背部抽出更换。

建议刀盘磨损检测装置数量不少于2处。

（2）刀具配置
刀具分滚刀、边刮刀和切刀，安装方式均为背装式。

滚刀为单刃或双刃的宽刃滚刀，刃宽应≥25mm，滚刀数量≥36把，刀圈强度不低于HRC50 ；边刮刀≥8把，每把刮刀分块≥2块，刀高高于前盾5mm；切刀应采纳加宽设计，宽度应≥200mm。

切刀最小覆盖直径≤1800mm。

大于φ1800mm以外应全覆盖，每道轨迹4把。

刀具要求：所有切刀和边刮刀需有耐磨和强度设计，边刮刀采纳特别合金，硬度≥HR80；所有刀具采纳分层高差设计，至少分两层，建议层差为15～40mm；可适当配置焊接重型撕裂刀。

5.4盾体
盾体总体要求：盾体为铰接式，前铰接或后铰接均可；按前盾直径＞中盾直径＞尾盾直径设计；中盾推进油缸分度理论应完全满足36°分度要求布置，也可根据盾构机况情况重新布设。

管线孔口设计要求：盾体上部应至少设置6个周边超前注浆孔，前盾隔板应至少设4个正面超前孔；注浆管路数量≥4路；土仓隔板上的膨润土注入口≥2个，泡沫注入口≥2个；尾盾同步注浆管内置；盾体上预留的盾壳外膨润土注入接口≥12个；
功能孔要求：在土仓侧，前盾体螺机口处设有前舱门；土仓压力隔板上预留各种功能孔，包括带压进舱所需风、水、电通道，聚合物孔、改良加水孔等。

铰接密封：承压能力≥3br,应全新配置；
盾尾刷密封：压力大于3br,数量不少于3道，盾尾油脂管路每腔采纳≥4路管道，建议最后一道采纳全包钢板尾刷。

监测：土压传感器≥5个，且上部传感器位置不低于盾体顶部1m，建议土压传感器设计有可方便安全的带压更换装置。

5.5人舱
人舱采纳双舱并联形式，每舱至少可容纳2人，要求测试压力≥5br，工作压力≥3br。

人仓设计要靠土仓隔板的中上部布置，还应满足土仓上部仓门向人舱方向开启，具备带压作业所需的相关功能，设有刀具运输轨道等特别要求。

5.6螺旋输送机及皮带机
螺旋输送机：螺旋机卵石通过粒径≥260mm×500mm；螺旋机轴前端叶片3m长度范围内应镶焊耐磨合金,其余叶片也应采取耐磨措施；要求螺旋机前端预留渣良孔；要求螺旋输送机配置至少前后各1 个土压传感器；螺旋机需有伸缩功能，伸缩长度建议800mm；螺旋输送机设计应不少于15个节距；焊装在前盾上的螺旋机筒体内壁应有加强耐磨设计，建议采纳可更换的耐磨套，与该节筒体紧连的3m范围内的螺旋机筒体应有耐磨设计措施；建议采纳轴式螺旋机，出渣口配置双闸门；建议螺旋输
送机预留保压泵接口。

皮带机：要求皮带机带宽≥800mm；满足最大掘进速度出渣要求；要求斜坡段倾角≤14°；建议皮带机驱动采纳双速或变频操纵，功率≥30kW。

5.7管片吊机及管片拼装机
管片吊机：要求配置双梁吊机，不需转换即可将管片放置在管片小车上，且满足最大纵坡35‰、起吊高度不低于2400mm 使用要求。

管片拼装机：须为中心回转式，有6个自由度配置。

设计满足纵向行程≥2000mm、旋转角度≥±200°、最大旋转速度≥1.8r/min要求。

建议有无线操纵功能。

5.8推进系统、铰接系统
推进系统：满足最大总推进力≥3000T，推进油缸行程≥2000mm；推进系统分组满足36°管片分度安装封顶块的要求；推进油缸至少分4组，且每组须有一个带行程传感器的油缸，行程传感器要求内置。

铰接系统：要求铰接系统的主动拉力不小于700T，且能满足地质的脱困要求；要求至少设置4根带传感器的铰接油缸，且传感器要求内置。

5.9注浆系统、泡沫系统、膨润土系统
注浆系统：需设置两次注浆系统，同步注浆系统和二次注浆系统。

同步注浆系统：注浆泵采纳德国SHWING双活塞泵，砂浆储存罐至少不小于6m3，要求注浆泵压力不低于30br，要求总注浆能力≥20m3/h，要求每根注浆管路配置压力传感器。

二次注浆系统：采纳双液浆，安装位置尽量靠近设备桥，并能够在主操纵室操控。

泡沫系统：能实现自动操纵，泡沫系统至少设置3路，应做到单孔单管单泵单控，每路配置预留有观察窗。

膨润良系统：能够在主操纵室内操控，应至少配置2路膨润土系统，要求膨润土和泡沫能够同时注入到刀盘前部。

设备应采纳至少120m扬程的膨润土泵，以方便在高含水地层注入稠膨润良地层，且需配置至少6m3膨润土罐及整套洞外膨化装置。

有条件的话建议配置盾壳外膨润土润滑系统，至少预留注入孔，方便后期应急处置。

5.10压缩空气系统
由于砂卵石层细颗粒含量少，透气性好，在需要带压进舱换刀时土仓难以保住气压，因此空压机的排气量比一般盾构机要求高，要求至少配置2台空压机，总排气量≥20m3/min，储气罐容量≥1m3，压缩空气排气压力≥7br。

在空压机出口配置三级过滤，第三级过滤采纳活性碳过滤器。

建议采纳德国SMSON 生产的全气动式气体保压系统，系统要“一用一备”。

考虑施工条件问题，空压机建议使用水冷式螺杆空压机。

5.11齿轮油系统
齿轮油系统要智能化监测，主操纵室须显示油温、液位等参数，要采纳循环过滤系统，有堵塞报警装置，须配置热交换器。

5.12主驱动油脂密封及润滑系统
采纳HBW及EP2两种密封油脂，HBW油脂采纳流量操纵，注入量不足时须报警。

如采纳多点注入泵，多点泵须有液位传感器，液位低时可自动启动补油泵注入，注到高液位时补油泵可自动停止。

5.13盾尾油脂系统
盾尾油脂泵要求有自动计数装置，每注入管路须设置有压力传感器，以保证实现压力注入模式，盾尾油脂须有手动及自动注入模式可供切换。

5.14二次通风系统
为满足盾构隧道通风要求及安全考虑，建议配置两个储风筒，配置有安全保护绳的吊机。

要求设备上通风管直径≥600mm。

根据需要建议配置二次风机。

5.15导向系统
要求配置自动导向系统，精度≤2″，并建议采纳无线操纵导向系统。

5.16供电系统
设备高压供电须采纳10kV，匹配盾构使用要求；功率大于30kW电机采纳星三角启动或软启动器启动，要求变压器补偿装置≥0.9，盾构机后配套建议配置电缆卷筒或电缆箱，可容纳电
缆≥200m，满足掘进要求。

5.17膨润土泥浆生产系统
每个盾构项目现场须配置膨润土泥浆生产系统（包括泥浆制备和膨化系统），以满足砂卵石地质的掘进施工需要，该系统的生产能力要与项目平均300m的掘进施工进度匹配。

制浆设备搅拌转速不低于100r/min，建议膨润土泥浆向洞内的运输方式为泵送方式，以满足快速掘进的施工需要。

5.18其它
根据现场情况，建议配置盾构掘进参数的数据采集系统和地面监控系统, 每台盾构上配置一套视频监控系统，在螺旋输送机卸渣口及皮带机卸渣口各安装一台摄像头，主控室内安装显示器，以便于将盾构的各种掘进参数实时地传输给地面，进行实时监控。

结束语
地铁BT项目地铁3号线于20XX年4月份开工，设计盾构隧道穿越地层复杂且多变，本次探讨盾构机选型技术参数及建议只作为一般性参考，特别地段盾构需相应调整，特别设计，适应不同地质，以满足施工要求。